作者：崔向群
出版社：电子工业出版社
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数控原理与编程试读：
前言
数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，数控技术的应用是提高制造业的产品质量和劳动生产率必不可少的重要手段。随着我国经济的持续发展和“世界制造中心”的逐步形成，我国制造企业对高素质的数控技能型人才的需求越来越大。为适应我国高等职业技术教育发展及数控技能型人才、操作技能型人才培养的需要，根据教育部培养“数控技能型紧缺人才培训工程”的要求，我们结合多年的教学和工程实践经验，编写了本教材。
本教材针对数控技术专业必备的专业知识，将数控技术原理与编程的内容结合起来。数控原理部分根据高等职业教育特点，按照理论适度、注重实践的原则，减少繁杂的数学推导，对深奥的理论不做阐述，重点阐述基本原理及应用；数控编程部分以企业应用最多的FANUC和 SIEMENS 公司的数控系统为例介绍数控车床的编程和数控铣床（加工中心）的编程，内容由浅入深、循序渐进，突出系统性和实用性。在内容编排过程中注重理论联系实际，注意多用典型实例分析，以点带面，以便学生牢固掌握基本内容，能举一反三；每章均有一定数量的习题，以培养学生的思考能力，掌握要点。
本书由崔向群任主编，吴胜强、徐新平任副主编，解海滨主审。参加具体章节的编写人员有：第1章：马雪芳；第2章：陈海燕；第3章：吴胜强；第4章：张荣英；第5章：崔向群、蒲筠果；第 6 章：吴胜强、徐新平。全书由崔向群、吴胜强统稿。在本书编写的过程中，丁广文、王志刚、许丽华、王艳宜等老师也给本书提了很多建议，在此表示衷心的感谢。
在收集资料和编写过程中，河北省模具工业协会、长城汽车股份有限公司、中国电子科技集团第54研究所、沛鑫史宾纳数控机床（南京）有限公司和邢台职业技术学院先进制造技术中心等单位给予了大力的支持和帮助，在此谨致谢意。
由于时间仓促和编者水平所限，不当和疏漏之处，敬请各位专家和广大读者批评指正。
编者
2010年5月第1章 绪论1.1 数控机床的基本概念1.1.1 数控机床的发展
随着科学技术的飞速发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加；同时随着航空工业、汽车工业和轻工消费品生产的高速增长，复杂形状的零件越来越多，精度要求也越来越高；此外，激烈的市场竞争要求产品研制生产周期越来越短，传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状的高效高质量加工要求。因此，近几十年来，能有效解决复杂、精密、小批多变零件加工问题的数控（NC）加工技术得到了迅速发展和广泛应用，使制造技术发生了根本性的变化。努力发展数控加工技术，并向更高层次的自动化、柔性化、敏捷化、网络化和数字化制造方向推进，是当前机械制造业发展的方向。
数控技术是机械加工现代化的重要基础与关键技术。应用数控加工可大大提高生产率，稳定加工质量，缩短加工周期，增加生产柔性，实现对各种复杂精密零件的自动化加工，易于在工厂或车间实行计算机管理，还使车间设备总数减少，节省人力，改善劳动条件，有利于加快产品的开发和更新换代，有利于提高企业对市场的适应能力和企业综合经济效益。数控加工技术的应用，使机械加工的大量前期准备工作与机械加工过程联为一体，使零件的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺规划（CAPP）和计算机辅助制造（CAM）的一体化成为现实，使机械加工的柔性自动化水平不断提高。
1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床。半个世纪以来，数控技术得到了迅猛的发展，加工精度和生产效率不断提高。数控机床的发展至今已经历了两个阶段和六代。
1952年的第一代——电子管数控机床；
1959年的第二代——晶体管数控机床；
1965年的第三代——集成电路数控机床；
以上三代数控系统都是采用专用控制硬件逻辑数控系统，称为普通数控系统，即NC系统。
1970年的第四代——小型计算机数控机床；
1974年的第五代——微型计算机数控系统；
CNC（第四代）和MNC（第五代）是软件式数控系统，称为现代数控系统。
1990年的第六代——基于PC的数控机床。1.1.2 与数控相关的术语
在加工机床中得到广泛应用的数控技术是一种采用计算机对机械加工过程中各种控制信息进行数字化运算、处理，并通过高性能的驱动单元对机械执行构件进行自动化控制的高技术。当前已有大量机械加工装备采用了数控技术，其中最典型而且应用面最广的是数控机床。为了便于后面的讨论，下面给出几个相关概念的定义。
① 数字控制（Numerical Control，NC）是一种借助数字、字符或其他符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。
② 数控技术（Numerical Control Technology），即采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。
③ 数控机床（Numerical Control Machine Tools）是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。它是数控技术典型应用的例子。
④ 数控系统（Numerical Control System）是实现数字控制的装置。
⑤ 计算机数控（Computer Numerical Control，CNC）系统是以计算机为核心的数控系统。1.1.3 数控机床的工作原理
在普通机床上加工零件的过程，机床操作者总是根据工序卡的要求在加工过程中操作机床，不断地改变刀具与工件的相对运动轨迹和运动参数（位置，速度等），使刀具对工件进行切削加工，从而得到所需要的合格零件。
在CNC机床上，传统加工过程中的人工操作均被数控系统的自动控制所取代。其工作过程如下：首先要将被加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化，即将刀具与工件的相对运动轨迹加工过程中主轴速度和进给速度的变换、冷却液的开关、工件和刀具的交换等控制和操作，都按规定的规则、代码和格式编成加工程序，然后将该程序送入数控系统。数控系统则按照程序的要求，进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴及辅助动作相互协调，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。传统加工与数控加工的比较如图1-1所示。图1-1 传统加工与数控加工的比较1.1.4 数控机床的组成
数控机床主要由以下几个部分组成，如图1-2所示。图1-2 数控机床的组成
1.控制介质与加工程序
控制介质是记录零件加工程序的载体。数控机床常用的控制介质有穿孔纸带、磁带、磁盘。
数控加工程序是数控机床自动加工零件的工作指令，包含切削过程中所必需的机械运动、零件轮廓尺寸、工艺参数等加工信息。编好的数控加工程序，存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上，它可以是穿孔纸带、磁带和磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。
2.输入装置
输入装置的作用是将程序载体上的数控代码信息转换成相应的电脉冲信号并传送至数控装置的存储器。根据程序控制介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、录放机或软盘驱动器。最早使用光电阅读机对穿孔纸带进行阅读，之后大量使用磁带机和软盘驱动器。有些数控机床不用任何程序存储载体，而是将程序清单的内容通过数控装置上的键盘，用手工方式输入，也可以用通信方式将数控程序由编程计算机直接传送至数控装置。
3.数控系统
数控系统是数控机床的核心，它的主要功能是：正确识别和解释数控加工程序，并对解释结果进行各种数据计算和逻辑判断处理，从而完成各种输入、输出任务。
数控系统主要由计算机系统、位置控制板、PLC接口板、通信接口板、扩展功能模块，以及相应的控制软件等模块组成。
数控系统将数控加工程序信息按两类控制量分别输出，从而控制机床各组成部分实现各种数控功能：一类是连续控制量，送往伺服驱动装置；另一类是离散的开关控制量，送往PLC逻辑控制装置。
4.伺服系统
伺服系统它接收来自数控系统的位置控制信息，将其转换成相应坐标轴的进给运动和精确的定位运动，驱动机床执行机构运动。由于是数控机床的最后控制环节，它的性能将直接影响数控机床的生产效率、加工精度和表面加工质量。它由伺服驱动电路和伺服驱动电机组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。
5.辅助控制装置
辅助控制装置是介于数控系统和机床机械、液压部件之间的控制装置。它的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启动、停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。
由于可编程逻辑控制器（PLC）具有响应快，性能可靠，易于使用、编程和修改程序并可直接启动机床开关等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。
6.反馈系统
反馈系统是指位置和速度检测装置，它是实现速度闭环控制（主轴、进给）和位置闭环控制（进给）的必要装置。位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置之后，数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按照指令设定值运动。
7.机床本休
机床本体是数控机床的主体，是数控系统的被控对象，是实现制造加工的执行部件。它主要由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等），以及特殊装置（刀具自动交换系统 工件自动交换系统）和辅助装置（如冷却、润滑、排屑、转位和夹紧装置等）组成。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构和变速系统较为简单，在精度、刚度、抗震性等方面要求高。1.2 数控机床的分类与特点1.2.1 数控机床的分类
数控机床的种类很多，从不同角度对其进行考查，就有不同的分类方法，通常有以下几种不同的分类方法。
1.按工艺用途分类（机床类型）（1）切削加工类
通过从工件上除去一部分材料才能得到所需零件的数控机床。
按传统的加工工艺方法来分，有数控车床、数控钻床、数控镗床、数控铣床、数控磨床、数控齿轮加工机床等，其中，现代数控铣床基本上都兼有钻镗加工功能。当某数控机床带有刀库和自动换刀装置时，可称之为“加工中心”。（2）成型加工类
通过物理的方法改变工件形状才能得到所需零件的数控机床，如数控折弯机等。（3）特种加工类
利用特种加工技术（电火花、激光技术等）得到所需零件的数控机床。（4）其他类型
非加工设备采用数控技术，如自动装配机、多坐标测量机、自动绘图机和工业机器人等。
2.按数控装置所能实现的控制功能（控制路线）分类（1）点位控制数控机床
点位控制是只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需控制，即刀具从一点移动到另一点时，对运动的速度和轨迹没有严格的要求。如图1-3所示，刀具从A点到B点可以走①、②或③中的任意一条路经。采用这类控制的有数控钻床、数控冲床、数控镗床、数控坐标镗床、数控焊机和三坐标测量机等。图1-3 点位控制切削加工（2）直线控制数控机床
直线控制是除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外，还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行平行于坐标轴的直线切削。加工示例如图1-4所示。这种形式的典型机床有车阶梯轴的数控车床、平面铣削用的数控铣床等。（3）轮廓控制数控机床
这类数控机床具有控制几个坐标轴同时协调运动，即多坐标轴联动的能力，使刀具相对于工件按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工的功能。加工示例如图1-5所示。可实现联动加工是这类数控机床的本质特征。这类数控机床有数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲线和曲面形状零件的数控机床。现代的数控机床基本上都是这种类型。图1-4 直线控制切削加工图1-5 轮廓控制切削加工
多个坐标轴按照一定的函数关系同时协调运动，称为多轴联动。按照联动轴数，可分为二轴联动、二轴半联动、三轴联动（如图1-6所示）和多轴联动数控机床（如图1-7所示）。图1-6 不同联动轴数所能加工的型面图1-7 多轴联动数控机床
3.按进给伺服系统类型分类
按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量装置，可分为开环数控机床和闭环数控机床，在闭环数控系统中根据位置测量装置安装的位置又可分为半闭环和全闭环两种。（1）开环控制数控机床
这类数控机床的运动部件没有位置检测反馈装置，采用步进电动机驱动，如图1-8所示。开环控制一般用于经济型数控机床和旧机床的数控化改造。图1-8 开环控制数控机床结构（2）半闭环控制数控机床
指在伺服电动机轴上或丝杠轴端装有角位移检测装置，通过检测伺服电动机或丝杠轴端的转角间接地检测出运动部件的位移，反馈给数控装置的比较器，与输入的指令进行比较，用差值控制运动部件，如图1-9所示。图1-9 半闭环控制数控机床结构（3）全闭环控制数控机床
指在机床最终运动部件的相应位置直接安装有位置测量反馈装置，将直接测量到的位移值反馈到数控装置的比较器中与输入指令移量进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动，如图1-10所示。图1-10 全闭环控制数控机床结构
4.按功能水平分类
按照功能水平，可以将数控机床分为低（经济型）、中、高三档。这种分类方法的界线是相对的，不同时期的划分标准会有所不同。就目前的发展水平来看，不同档次数控机床的功能和指标见表1-1。表1-1 各档次数控机床的功能和指标1.2.2 数控机床加工的特点
数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点。
1.对加工对象的适应性强
数控机床是按照被加工零件的数控程序来进行自动加工的，当改变加工零件时，只要改变数控程序，不必更换凸轮、靠模、样板或钻镗模等专用工艺装备。因此，生产准备周期短，有利于机械产品的更新换代。
2.生产效率高
数控机床的加工效率一般比普通机床高3～4倍。一方面是因为其自动化程度高，具有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，而且工序集中，在一次装夹中能完成较多表面的加工，省去了划线、多次装夹、检测等工序；另一方面是加工中可采用较大的切削用量，有效地减少了加工中的切削工时。
3.加工精度高、加工质量稳定
由于数控机床本身的精度较高，还可以利用软件进行精度校正和补偿，又因为它根据数控程序自动进行加工，可以避免人为的误差，因此，不但加工精度高，而且质量稳定。
4.加工能力强
数控机床能高效优质地完成普通机床不能或难以完成的复杂型面零件的加工，对复杂型面零件其生产效率比通用机床加工高十几倍甚至几十倍。
5.功能复合程度高，一机多用
数控机床，特别是自动换刀的数控机床，在一次装夹的情况下，可以实现大部分工艺能力的加工工序，一台数控机床可以代替数台普通机床。这样可以减少装夹误差，节约工序之间的运输、测量和装夹等辅助时间，还可以节省机床的占地面积，带来较高的经济效益。
任何事物都有两重性。数控加工虽有上述各种优点，同时在某些方面也存在不足之处。
① 单位工时的加工成本较高；
② 生产效率比刚性自动生产线低，因而只适宜于多品种小批量或中批量生产（占机械加工总量70%～80%），而不适合于大批量生产；
③ 加工中的调整相对复杂；
④ 维修难度大，要求具有较高技术水平的人员来操作和维修；
⑤ 机床价格较高，初始投资大。1.2.3 数控机床加工的应用范围
数控加工的确具有普通机床加工所不具备的许多优点。而且它的应用范围还在不断扩大，但是在目前还不能完全取代普通机床，也就是说，它不能以最经济的方式来解决加工制造中所有问题。根据数控加工的优缺点及国内外大量应用实践，一般可按适应程度将零件分为下列三类。
1.最适应类
对于下述零件，首先应考虑能不能把它们加工出来，即要着重考虑可能性问题。只要有可能，可先不要过多地去考虑生产率与经济上是否合理，都应把对其进行数控加工作为优选方案。
① 形状复杂，加工精度要求高，用通用机床无法加工或虽然能加工但很难保证产品质量的零件；
② 用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件；
③ 具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的不开敞内腔的壳体或盒型零件；
④ 必须在一次装夹中合并完成铣、镗、锪、铰或攻丝等多工序的零件。
2.较适应类
这类零件在分析其可加工性以后，还要在提高生产率及经济效益方面作全面衡量。一般可把它们作为数控加工的主要选择对象。
① 在通用机床上加工时极易受人为因素（如情绪波动、体力强弱、技术水平高低等）干扰，零件价值又高，一旦质量失控便造成重大经济损失的零件；
② 在通用机床上加工时必须制造复杂专用工装的零件；
③ 需要多次更改设计后才能定型的零件；
④ 在通用机床上加工时，安装需要做长时间调整的零件；
⑤ 用通用机床加工时，体力劳动强度很大的零件。
3.不适应类
下述一类零件采用数控加工后，在生产效率与经济性方面一般无明显改善，还可能弄巧成拙或得不偿失，故此类零件一般不应作为数控加工的选择对象。
① 生产批量大的零件（当然不排除其中个别工序用数控机床加工）；
② 装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件；
③ 加工余量很不稳定，且数控机床上无在线检测系统可自动调整零件坐标位置的；
④ 必须用特定的工艺装备协调加工的零件。习题
1-1 什么是数控技术?什么是数控机床?什么是数控系统?
1-2 比较数控机床与普通机床加工的过程，有什么区别?
1-3 数控机床的主要组成部分有哪些?各部分的作用是什么?
1-4 简述数控机床的基本工作原理。
1-5 数控加工机床按加工控制路线应分为哪几类?其控制过程有何不同?
1-6 数控加工机床按使用的进给伺服系统不同应分为哪几类?哪类的控制质量高，为什么?
1-7 简述数控机床加工的特点。
1-8 数控加工的主要对象是什么?第2章 数控系统2.1 数控系统的基本原理与结构2.1.1 数控系统的主要功能
数控系统的功能是指它满足不同控制对象各种要求的能力，通常包括基本功能和选择功能。
1.基本功能
基本功能为数控系统基本配置的功能，即必备的功能，主要包含以下功能。（1）控制功能
控制功能是指CNC装置控制各运动轴的功能，其功能的强弱取决于能控制和能同时控制（联动）的坐标轴数。CNC系统的坐标轴可以是移动轴（X、Y、Z）、回转轴（A、B、C）、附加轴（U、V、W）。通过轴的联动可以完成轮廓轨迹的加工。一般数控车床只需二轴控制、二轴联动；一般数控铣床需要三轴控制、三轴联动或二轴半轴联动；一般加工中心为多轴控制。控制轴数越多，特别是联动控制的轴数越多，要求CNC系统的功能就越强，同时CNC系统也就越复杂，编制程序也越困难。（2）准备功能（G功能）
准备功能是指令机床动作方式的功能，包括基本移动、平面选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环等指令。一个CNC装置的准备功能丰富与否是其功能强弱的主要标志之一。（3）插补功能
插补功能是数控系统实现零件轮廓（平面或空间）加工轨迹运算的功能。一般CNC系统仅具有直线和圆弧插补，而现在较为高档的数控系统还具有抛物线、椭圆、极坐标、正弦、螺旋线及样条曲线插补等功能。（4）进给功能
进给功能就是数控机床进给速度的控制功能。数控系统的进给速度的控制功能主要有以下三种形式。
① 进给速度。控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min（inch/min）。
② 同步进给速度。实现切削速度和进给速度的同步，单位为mm/r（inch/min）。
③ 进给倍率（进给修调率）。操作面板上设置了进给倍率开关，倍率可以从0～200%之间变化，每档间隔10%。使用倍率开关不用修改程序就可以改变进给速度，并可以在试切零件时随时改变进给速度或在发生意外时随时停止进给。（5）主轴功能
主轴功能是指主轴切削速度、周向位置控制功能。数控系统的主轴功能主要有以下几种。
① 主轴转速。主轴转速的控制功能，单位：r/min。
② 恒线速度控制。刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能，单位：m/min。该功能可以保证车床和磨床加工工件端面质量和不同直径的零件的加工具有相同的切削速度。
③ 主轴定向控制。该功能使主轴在圆周方向的某一位置准确停止，有自动换刀功能的机床必须选取有这一功能的CNC装置。
④ C轴控制。主轴周向任意位置控制的功能。
⑤ 主轴修调率。人工实时修调预先设定的主轴转速，功能与进给修调率相同。（6）辅助功能（M功能）
辅助功能是用于指令机床辅助操作的功能。一般是开关量的控制，它用M指令代码表示。（7）刀具管理功能
刀具管理功能是实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理功能。加工中心都应具有此类功能，即：
① 刀具几何尺寸管理。管理刀具半径和长度，供刀具补偿功能使用。
② 刀具寿命管理。管理时间寿命，当刀具寿命到期时，CNC系统将提示更换刀具。
③ 刀具类型管理。用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。（8）字符图形显示功能
CNC系统配置有显示器，通过软件和硬件接口实现字符和图形的显示。通常可以显示程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形及刀具实际移动轨迹的坐标等。（9）自诊断功能
自诊断功能是指CNC自动实现故障预报和故障定位的功能。一般的CNC系统或多或少都具有自诊断功能，尤其是现代的CNC系统，这些自诊断功能主要用软件来实现。具有此功能的CNC系统，可以在故障出现后迅速查明故障的类型及部位，便于及时排除故障，减少故障停机时间。
通常不同的CNC装置所设置的诊断程序不同，可以包含在系统程序之中，在系统运行过程中进行检查，也可以作为服务性程序，在系统运行前或故障停机后进行诊断，查找故障的部位，有的CNC装置可以进行远程通信诊断。
2.选择功能（1）补偿功能
① 刀具半径和长度补偿功能。实现按零件轮廓编制的程序控制刀具中心轨迹的功能，以及刀具磨损或更换时（刀具半径变化），可对刀具半径或长度作相应的补偿。该功能由G指令实现。
② 传动链误差。包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能。即事先测量出螺距误差和反向间隙，并按要求输入到CNC装置相应的储存单元内，在坐标轴运行时，对螺距误差进行补偿；在坐标轴反向时，对反向间隙进行补偿。
③ 非线性误差补偿功能。对诸如热变形、静态弹性变形、空间误差，以及由刀具磨损所引起的加工误差等，采用AI、专家系统等新技术进行建模，利用模型实施在线补偿。（2）固定循环功能
所谓固定循环功能是指数控系统实现典型加工循环的功能。在数控加工过程中，有些加工工序，如钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等，所需完成的动作循环十分典型，数控系统事先将这些典型的固定循环用G代码进行定义，在加工时使用这类G代码，可大大简化编程工作量。（3）通信功能
通信功能是指CNC与外界进行信息和数据交换的功能。通常CNC系统都是具有RS232C等串行接口，可与外部计算机进行通信，传送零件加工程序，有的还备有DNC接口，以利于实现直接数控，更高档的系统还可与MAP（制造自动化协议）相连，以适应FMS、CIMS等大制造系统集成的要求。现在一般新生产的数控系统多支持基于TCP/IP协议的通用网卡。（4）人机交互图形编程功能
为了进一步提高数控机床的编程效率，对于NC程序的编制，特别是较为复杂零件的NC程序都要通过计算机辅助编程，尤其是利用图形进行自动编程，以提高编程效率。因此，对于现代CNC系统一般要求具有人机交互图形编程功能。有这种功能的CNC系统可以根据零件图直接编制程序，即编程人员只需送入图样上简单表示的几何尺寸就能自动地计算出全部交点、切点和圆心坐标，生成加工程序。有的CNC系统可根据引导图和显示说明进行对话式编程，并具有自动工序选择、刀具和切削条件的自动选择等智能功能。2.1.2 CNC装置的硬件体系结构
CNC装置从它的硬件组成结构来看，若按其中含有CPU的多少来分，可分为单机系统和多机系统。
1.单机系统
如图2-1所示，整个CNC装置只有一个CPU，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种NC功能。CPU通过总线与存储、输入/输出控制等各种接口相连，构成CNC系统。
其优点是投资小、结构简单、易于实现；缺点是系统功能受到CPU字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制，不易进行功能的扩展和提高，处理速度低、数控功能差。现在这种结构已被多机系统的主从结构所取代。图2-1 单CPU结构的CNC装置硬件框图
2.多机系统
多CPU结构的CNC装置中有两个或两个以上CPU构成处理部件，有集中的操作系统，资源共享。系统中的某些功能模块自身也带有CPU。
多机系统的特点如下。
① 运算速度快，性价比高；
② 适应性强，扩展容易；
③ 可靠性高；
④ 硬件易于规模生产。
根据部件间的相互关系多机系统的结构又分为以下几种。（1）主从结构
在该系统中只有一个CPU（通常称为主CPU）对系统的资源（存储器，系统总线等）有控制和使用权，而其他带有CPU的功能部件（通常称之为智能部件），则无权控制和使用系统资源，它只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。像这种只有一个CPU处于主导地位，其他CPU处于从属地位的结构，称之为主从结构，如图2-2所示。图2-2 主从式多机系统结构（2）多主结构
系统中有两个或两个以上带CPU的模块部件对系统资源有控制或使用权。模块之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过仲裁器来解决总线争用问题，通过公共存储器进行交换信息。（3）分布式结构
系统有两个或两个以上带CPU的功能模块，各模块有自己独立的运行环境，模块间采用松耦合，且采用通信方式交换信息。2.1.3 CNC系统软件结构
CNC系统软件是一个典型而又复杂的实时系统，它的许多控制任务，如零件程序的输入与译码、刀具半径的补偿、插补运算、位置控制，以及精度补偿等都是由软件实现的。从逻辑上讲，这些任务可看成一个个功能模块，模块之间存在着耦合关系；从时间上来讲，各功能模块之间存在一个时序配合问题。在设计CNC系统软件时，如何组织和协调这些功能模块，使之满足一定的时序及逻辑关系，就是CNC系统软件结构要考虑的问题。
1.CNC装置软件和硬件的功能界面
CNC装置是由软件和硬件组成的，硬件为软件的运行提供支持环境。在信息处理方面，软件与硬件在逻辑上是等价的，即硬件能完成的功能从理论上讲也可以用软件来完成，但是，硬件和软件在实现这种功能时各有不同的特点。硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难；软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。
因此，哪些功能应由硬件来实现，哪些功能应由软件实现，即如何合理确定软件硬件的功能分担是CNC装置结构设计的重要任务。这就是所谓的软件和硬件的功能界面划分的概念。通常功能界面划分的准则是系统的性能价格比。图2-3是数控系统功能界面的几种划分方法。图2-3 软件和硬件的功能界面
上面四种功能界面是CNC装置在不同时期不同产品的划分，其中后面两种是现在的CNC系统常用的两种方案。由图可知，划分方案从Ⅰ至Ⅳ，软件所承担的功能越来越多，硬件承担的功能越来越少。这主要是因为计算机技术在数控领域的广泛应用，并且随着计算机技术的发展，计算机的运算处理能力不断增强，使软件的运行效率大大提高，这就为用软件实现数控功能提供了技术上的支持；另一方面，随着数控技术的发展，人们对数控功能的要求也越来越高，若用硬件来实现这些功能不仅结构复杂，而且柔性差，有时甚至不可能，而用软件实现则具有较大的灵活性。因而用相对较少且标准化程度高的硬件，配以功能丰富的软件模块构成CNC系统是当今数控技术发展的趋势。
2.CNC装置的软件系统特点
CNC系统是典型的实时控制系统。CNC装置的系统软件则可看成是一个专用实时操作系统，其应用领域是工业控制领域（多任务性、实时性）。（1）多任务并行处理
所谓任务就是可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。并行处理是指系统在同一时间间隔或同一时刻内完成两个或两个以上任务处理的方法。
CNC的功能可定义为CNC的任务。CNC装置的系统软件必须完成管理和控制两项任务。管理任务主要承担系统资源管理和系统各子任务的调度，负责系统的程序管理、显示、诊断等子任务；控制任务主要完成CNC的基本功能：译码、刀具补偿、速度预处理、插补运算、位置控制等任务。CNC系统在工作中这些任务不是顺序执行的，而需要多个任务并行处理。
① 当机床正在加工时（执行控制任务），显示器要实时显示加工状态（管理任务）。控制任务与管理任务的并行。
② 当加工程序送入系统（输入）时，显示器实时显示输入内容（显示）。管理任务之间的并行。
③ 为了保证加工的连续性，译码、刀具补偿、速度预处理、插补运算、位置控制必须同时不间断的执行，控制任务之间的并行。（2）实时中断处理
实时性是指某任务的执行有严格的时间要求，即必须在系统的规定时间内完成，否则将导致执行结果错误和系统故障。
实时性任务从各任务对实时性要求的角度看，基本上可分为强实时性任务和弱实时性任务。
1）强实时性任务
① 实时突发性任务。任务的发生具有随机性和突发性，是一种异步中断事件，往往有很强的实时性要求，如故障中断（急停、机械限位、硬件故障等）、机床PLC中断等。
② 实时周期性任务。任务是精确地按一定的事件间隔发生的，如插补运算、位置控制等。为保证加工精度和加工过程的连续性，这类任务处理的实时性是关键。在执行任务的过程中，除系统故障外，不允许被其他任何任务中断。
2）弱实时性任务
任务的实时性相对较弱，只需要在某一段时间内得以运行即可。在系统设计时，它们或被安排在背景程序中，或根据重要性设置为级别较低的优先级，由调度程序进行合理的调度，如CRT显示、加工程序编辑、插补预处理、加工状态的动态显示，加工轨迹的静态模拟仿真及动态显示等。
中断技术是计算机响应外部事件的一种处理技术，特点是能按任务的重要程度和轻重缓急对其进行响应，而CPU也不必为其开销过多的时间。
为了满足CNC装置实时任务的要求，软件系统采用基于实时中断技术的任务调度机制，根据外界的实时信息以足够快的速度进行任务调度，即在CPU空闲时，若同时有多个任务请求执行，优先级别高的任务将优先执行；在CPU正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行，CPU将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级别更高的任务的请求。
3.CNC系统软件结构模式
软件结构模式是指系统软件的组织管理方式。即系统任务的划分方式、任务调度机制、任务间的信息交换机制以及系统集成方法等。结构模式的功能是组织和协调各个任务的执行，使之满足一定的时序配合要求和逻辑关系，以满足CNC系统的各种控制要求。目前，CNC系统软件的结构模式有如下几种。（1）前后台型结构模式
这种模式将CNC系统软件划分成两部分：前台程序和后台程序。
前台程序完成强实时性任务，包括：插补运算、位置控制、故障诊断等任务，它是一个实时中断服务程序，采用优先抢占调度机制。
后台程序（也称背景程序）完成弱实时性任务，包括显示、加工程序的编辑和管理、系统的输入和输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理）等。它是一个循环运行的程序，采用顺序调度机制。
前台和后台程序之间以及内部各子任务之间的信息交换是通过缓冲区实现的，如图2-4所示为前后台程序运行关系图。
前后台型结构模式的特点是实时性差，例如当系统出现故障时，有时可能要延迟整整一个循环周期（最坏的情况）才能做出反应。早期的CNC系统大都采用这种结构，仅适用于控制功能较简单的系统。（2）中断型结构模式
这种结构是将除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调度管理，其管理的功能主要通过各级中断程序之间的相互通信来解决。整个软件就是一个大的中断管理系统。该模式的软件结构如图2-5所示。图2-4 前后台程序运行关系图图2-5 中断型软件系统结构图
一般在中断型结构模式的CNC软件体系中，控制CRT显示的模块为低级中断（0级中断），只要系统中没有其他中断级别请求，总是执行0级中断，即系统进行CRT显示。其他程序模块，如译码处理、刀具中心轨迹计算、键盘控制、I/O信号处理、插补运算、终点判别、伺服系统位置控制等，分别具有不同的中断优先级别。开机后，系统程序首先进入初始化程序，进行初始化状态的设置、ROM检查等工作。初始化后，系统转入0级中断CRT显示处理。此后系统就进入各种中断的处理，整个系统的管理是通过每个中断服务程序之间的通信方式来实现的。
该结构中任务的调度采用的是优先抢占调度。各级中断服务程序之间的信息交换是通过缓冲区来进行的。
中断型结构模式的优点是实时性好，由于系统的中断级别较多（最多可达8级），可将强实时性任务安排在优先级较高的中断服务程序中；缺点是模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。20世纪80年代至90年代初的CNC系统大多采用的是这种结构。（3）基于实时操作系统的结构模式
实时操作系统（Real Time Operating System，RTOS）是操作系统的一个重要分支，它除了具有通用操作系统的功能外，还具有任务管理、多种实时任务调度机制（如优先级抢占调度、时间片轮转调度等）、任务间的通信机制（如邮箱、消息队列、信号灯等）等功能。由此可知，CNC系统软件完全可以在实时操作系统的基础上进行开发。基于实时操作系统的结构模式的优点如下。图2-6 基于实时操作系统软件结构图
① 弱化功能模块间的耦合关系。CNC各功能模块之间在逻辑上存在着耦合关系，在时间上存在着时序配合关系。为了协调和组织它们，前述结构模式中，需用许多全局变量标志和判断分支结构，致使各模块间的关系复杂。在本模式中，设计者只需考虑模块自身功能的实现，然后按规则挂到实时操作系统上，而模块间的调用关系、信息交换方式等功能都由实时操作系统来实现，从而弱化了模块间的耦合关系，基于实时操作系统软件结构如图2-6所示。
② 系统的开放性和可维护性好。从本质上讲，前述结构模式采用的是单一流程加中断控制的机制，一旦开发完毕，系统将是完全封闭的（对系统的开发者也是如此），若想对系统进行功能扩充和修改将是困难的。在本模式中，系统功能的扩充或修改，只需将编写好的任务模块挂到实时操作系统上（按要求进行编译）即可。因而，采用该模式开发的CNC系统具有良好的开放性和可维护性。
③ 减少系统开发的工作量。在CNC系统软件开发中，系统内核（任务管理、调度、通信机制）的设计开发往往是很复杂的，而且工作量也相当大。当以现有的实时操作系统为内核时，即可大大减少系统的开发工作量，缩短开发周期。2.2 数控装置的插补原理2.2.1 概述
1.插补（Interpolation）的概念
零件的轮廓形状是由各种线型（如直线、圆弧、螺旋线、抛物线、自由曲线等）构成的，其中最主要的是直线和圆弧。加工各种形状的零件轮廓时，必须控制刀具相对工件以给定的速度沿指定的路径运动，即控制各坐标轴按某一规律协调运动，数控装置的这一功能称为插补功能。平面曲线的运动轨迹需要两个运动来协调，空间曲线或立体曲面则要求三个以上的坐标产生协调运动。
用户在零件加工程序中，一般仅提供线型的起点、终点、加工方向，以及描述该线型所必需的相关参数，如对直线，提供其起点和终点；对圆弧，提供起点、终点、顺圆或逆圆，以及圆心相对于起点的位置。因此，为了实现轨迹控制，必须在运动过程中实时计算出满足线型要求的若干中间点（在起点和终点之间）。这就是数控技术中插补的概念。所谓插补就是根据给定的进给速度和轮廓线型的要求，在轮廓的起点和终点之间，插入一些中间点的方法，这种方法称为插补方法或插补原理。而对于每种方法（原理）又可能有不同的计算方法来实现，这种具体的计算方法称之为插补算法。
插补实质上是根据有限的信息完成“数据点的密化”工作。它有两层意思：一是用小线段逼近产生基本线型（如直线、圆弧等）；二是用基本线型拟和其他轮廓曲线。
轮廓控制系统正是因为有了插补功能，才能加工出各种形状复杂的零件。可以说插补功能是轮廓控制系统的本质特征。因此，插补算法的优劣，将直接影响CNC系统的性能指标。
2.插补算法的分类
目前常用的各种插补算法大致分为两类：（1）脉冲增量插补（行程标量插补、基准脉冲插补）
这类插补算法是以脉冲形式输出，每插补运算一次，最多给每一轴一个进给脉冲。把每次插补运算产生的指令脉冲输出到伺服系统，以驱动工作台运动，每发出一个脉冲，工作台移动一个基本长度单位（脉冲当量），脉冲当量是脉冲分配的基本单位。
脉冲增量插补算法的特点如下。
① 每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量（一个脉冲当量），以一个个脉冲的方式输出给步进电机。其基本思想是：用折线来逼近曲线（包括直线）。
② 由于脉冲增量插补的转轴的最大速度受插补算法执行时间限制，因而进给速度指标难以提高，当脉冲当量为10?m时，采用该插补算法所能获得最高进给速度是4～5m/min。
③ 脉冲增量插补的实现方法较简单，通常仅用加法和移位运算方法就可完成插补。因此它比较容易用硬件来实现，而且，用硬件实现这类运算的速度很快。随着计算机技术的迅猛发展，目前多采用软件完成这类算法。脉冲的累积值代表运动轴的位置，脉冲产生的速度与运动轴的速度成比例。
这类插补算法有逐点比较法、最小偏差法、数字积分法、目标点跟踪法、单步追踪法等。它们主要用在早期采用步进电机驱动的数控系统。由于此算法的速度指标和精度指标都难以满足现在零件加工的要求，现在的数控系统已很少采用这类算法了。（2）数据采样插补（时间标量插补、数字增量插补）
这类算法插补结果输出的不是脉冲，而是标准二进制数。采用时间分割思想，根据编程的进给速度将轮廓曲线分割为每个插补周期的进给直线段（又称轮廓步长）进行数据密化，以此来逼近轮廓曲线。然后再将轮廓步长分解为各个坐标轴的进给量（一个插补周期的进给量），得到坐标轴相应的指令位置，与通过位置采样所获得的坐标轴现时的实际位置（数字量）相比较，求得跟随误差。位置伺服软件将根据当前的跟随误差算出适当的坐标轴进给速度指令，输出给伺服驱动装置，实现坐标轴的进给。
数据采样插补算法的特点如下。
① 插补程序以一定的时间间隔（插补周期）定时运行，在每个周期内根据进给速度计算出各坐标轴在下一插补周期内的位移增量（数字量）。其基本思想是：用直线段（内接弦线，内外均差弦线，切线）来逼近曲线（包括直线）。
② 进给速度与插补运算速度无严格的关系。因而采用这类插补算法时，可达到较高的进给速度（一般可达到10m/min以上）。
③ 数字增量插补的实现算法较脉冲增量插补复杂，它对计算机的运算速度有一定的要求，不过现在的计算机均能满足它的要求。
这类插补方法有数字积分法（DDA）、二阶近似插补法、双DDA插补法、角度逼近插补法、时间分割法等。这些算法大多是针对圆弧插补设计的。这类插补算法主要用于交、直流伺服电机为伺服驱动系统的闭环、半闭环数控系统，也可用于以步进电机为伺服驱动系统的开环数控系统。目前所使用的CNC系统中，大多数都采用这类插补方法。2.2.2 逐点比较法插补
逐点比较法是脉冲增量插补算法最典型的代表，它是一种最早的插补算法。它的基本原理是，在刀具按要求轨迹运动加工零件轮廓的过程中，不断比较刀具与被加工零件轮廓之间的相对位置，并根据比较结果决定下一步的进给方向，使刀具向减小偏差的方向进给，且只有一个方向的进给。也就是说，逐点比较法每走一步都要和给定轨迹比较一次，根据比较结果来决定下一步的进给方向，周而复始，直到全部结束，使之趋近于加工轨迹。
逐点比较法又称区域判别法或醉步式近似法，可以实现直线和圆弧插补。逐点比较法的特点是运算直观，插补误差小于一个脉冲当量，而且输出脉冲均匀，输出脉冲的速度变化小，调节方便，但不易实现两坐标以上的插补，因此主要在两坐标开环CNC系统中应用。
1.逐点比较法直线插补（1）判别函数及判别条件
如图2-7所示，对XY平面第一象限直线段进行插补。直线段起点位于坐标原点O，终点位于A（X，Y）。设点P（X，Y）为任一动eeii点。图2-7 逐点比较法判别条件示意图
若P点在直线OA上，则：XY-XY=0；eiie
若P点在直线OA上方，则：XY-XY>0；eiie
若P点在直线OA下方，则：XY-XY<0。eiie
定义F=XY-XY偏差函数，则可得到如下结论。eiie
① 当F=0时，加工点P落在直线上；
② 当F>0时，加工点P落在直线上方；
③ 当F<0时，加工点P落在直线下方。（2）进给方向判别
① 当F>0时，应该向+X方向发一脉冲，使刀具向+X方向前进一步，以接近该直线。
② 当F<0时，应该向+Y方向发一脉冲，使刀具向+Y方向前进一步，以接近该直线。
③ 当F=0时，既可以向+X方向发一脉冲，也可以向+Y方向前进一步。但通常将F=0和F>0做同样的处理，即都向+X方向发一脉冲。（3）迭代法偏差函数F的推导
为了减少计算量，通常采用迭代法计算偏差函数F：即每走一步，新加工点的偏差用前一点的偏差递推出来。
① F≥0时，应向+X发出一进给脉冲，刀具从现加工点（X，Y）ii向+X方向前进一步，达到新加工点（X，Y），则新加工点的偏差i+1i值为
② F<0时，应向+Y发出一进给脉冲，刀具从现加工点（X，Y）ii向+Y方向前进一步，达到新加工点（X+1，Y），则新加工点的偏差ii值为（4）插补步骤
逐点比较法插补过程中每进给一步都要经过如下这四个节拍的处理，如图2-8所示。图2-8 逐点比较法工作流程图
① 偏差判别。判别刀具当前位置相对于给定轮廓的偏差情况，也就是说通过偏差符号来确定加工点处于规定轮廓的外面还是里面，并以此决定刀具的进给方向。
② 坐标进给。根据偏差判别结果，控制相应坐标轴进给一步，使加工点向规定轮廓靠拢，从而减小其间偏差。
③ 偏差计算。刀具进给一步后，计算新的加工点与规定轮廓之间新的偏差，作为下一步偏差判别的依据。
④ 终点判别。每进给一步都要修正总步数，并判别刀具是否到达被加工零件轮廓的终点，若到达则结束，否则继续循环以上四个节拍，直至终点为止。终点判别可采用两种方法，一是每走一步判断X-X≥0及Y-Y≥0是否成立，如成立，则插补结束否则继续；二是把ieie每个程序段中的总步数求出来，即n=|X|+|Y|，每走一步n-1，直到een=0为止。（5）逐点比较法直线插补实例
例 设欲加工的直线位于XY平面的第一象限，直线的起点坐标为坐标原点，终点坐标为X=5，Y=3。试用逐点比较法对该段直线进ee行插补，并画出插补轨迹。
解：插补运算过程见表2-1，表中X，Y是直线终点坐标，n为总ee步数，n=|X|+|Y|=8。插补进给过程如图2-9所示。ee表2-1 逐点比较法直线插补节拍表
2.逐点比较法圆弧插补（1）判别函数及判别条件
如图2-10所示为第一象限逆圆弧，圆心为原点，起点A（X，0Y），终点B（X，Y），圆弧半径为R，P（X，Y）为任一加工点。0eeii其偏差函数为图2-9 逐点比较法直线插补轨迹图2-10 逐点比较法判别条件示意图
根据加工点所在区域的不同，有下列三种情况。
① 当F=0时，加工点P落在圆弧上；
② 当F>0时，加工点P落在圆弧外侧；
③ 当F<0时，加工点P落在圆弧内侧。（2）进给方向判别
① 当F>0时，应该向X轴发出一负方向运动的进给脉冲使刀具向圆弧内走一步；
② 当F<0时，应该向Y轴发出一正方向运动的进给脉冲，使刀具向圆弧外走一步；
③ 当F=0时，既可以向X轴方向发一负方向运动的进给脉冲，也可以向Y轴方向发一负方向运动的进给脉冲，但通常将F=0和F>0做同样的处理。（3）迭代法偏差函数F的推导
① 设加工点P在圆弧外侧或圆弧上，则加工偏差F≥0，刀具需向X坐标负方向进给一步，即移动到新的加工点P（X，Y）。新加工i+1i点的偏差为
② 设加工点P在圆弧内侧，则加工偏差F<0，刀具需向Y坐标正方向进给一步，即移动到新的加工点P（X，Y）。新加工点的偏差ii+1为（4）逐点比较法圆弧插补终点判别
和直线插补一样，逐点比较法圆弧插补除偏差计算外，还要进行终点判别。终点判别有两种方法。
① 插补运算开始前计算出两个坐标进给的总步数N，N=|X-X|+|e0Y-Y|，在插补过程中，X或Y每走一步，就从总步数N中减1，当N=0e0时，表示到达终点。
② 插补前分别计算两个坐标进给的总步数N和N，其中N=|X-xyxeX|，N=|Y-Y|，当X坐标进给一步时，计算N-1，当Y坐标进给一步0ye0x时，计算N-1，两坐标进给的总步数均减为零时，表示到达终点。y（5）逐点比较法圆弧插补实例
例 现欲加工第一象限逆圆弧AB，如图2-11所示，圆弧的起点为A（10，0），终点为B（6，8），试用逐点比较法进行插补，并画出插补轨迹。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]